Les récepteurs couples aux protéines G : Les effets des microdomaines lipidiques sur la dynamique des récepteurs induite par les ligands

par Pierre Calmet

Projet de thèse en Chimie Physique

Sous la direction de Isabelle Alves.

Thèses en préparation à Bordeaux en cotutelle avec l'Université d'Erlangen-Nuremberg , dans le cadre de Sciences Chimiques , en partenariat avec Chimie et Biologie des Membranes et des Nanoobjets (Bordeaux) (laboratoire) et de Spectroscopie et Imagerie de peptides actifs sur les membranes (equipe de recherche) depuis le 01-01-2015 .


  • Résumé

    Les récepteurs des chimiokines CXCR4 et CCR5 font partie de la grande famille de RCPG (récepteur couplée aux protéines G) et sont des cibles thérapeutiques de fort intérêt puisque sont impliquées dans plusieurs pathologies comme l'infection par le VIH, le cancer et métastases, les maladies inflammatoires et les perturbations neurologiques. Malgré des avancées récentes sur le mécanisme d'activation de ces récepteurs grâce à la découverte de leur structure cristallographique de haute résolution, certains aspects concernant leur fonctionnement restent obscures, surtout en ce qui concerne le rôle de l'environnement lipidique et la présence des domaines lipidiques (appelés radeaux) dans leur activation et signalisation. Ceci peut être en partie due au fait que pour étudier les interactions récepteur/lipide il est nécessaire d'extraire les récepteurs de leur environnement lipidique naturel et de les reconstituer dans des systèmes lipidiques modèles de composition lipidique varié tout en préservant l'activité du récepteur ce qui peut être très difficile pour une RCPG. Des études sur les récepteurs des chimiokines montrent que l'environnement lipidique peut avoir un effet sur l'action du ligand ainsi que les interactions avec les effecteurs, affectant ainsi des étapes plus en aval de la cascade de signalisation, comme l'internalisation et la desensitization. La majorité des approches utilisées visant à étudier le rôle du cholestérol, se basent sur des mesures indirectes comme la déplétion du cholestérol par la ß-cyclodextrine et autres molécules suivie des mesures de changement de profiles de liaison par des anticorps spécifiques à ce récepteur. Ces approches affectent souvent d'autres aspects physiologiques et ne peuvent pas déterminer à quel point et niveau le cholestérol ainsi que d'autres lipides agissent : changement de structure du récepteur, sa dynamique, formation de dimer, etc, ainsi des différents approches sont nécessaires. Dans ce projet on propose d'étudier cette problématique par une combinaison d'approches théoriques (modélisation moléculaire) et biophysiques (telles que la RMN en solution et solide, la résonance plasmonique aux ondes guidées, des approches de microscopie de la molécule unique) sur des systèmes cellulaires et des systèmes lipidiques modèles. Cette approche impliquant l'utilisation de plusieurs techniques permet l'obtention d'informations complémentaires à différentes échèles temporales et spatiales essentielles pour une caractérisation complète du système. De plus, les mécanismes moléculaires d'activation et signalisation du CCR5 et CXCR4 seront étudié en parallèle, une approche que n'as pas été utilisé auparavant et qui doit contribuer au développement des actions thérapeutiques améliorés puisque ces récepteurs agissent de façon coordonnée dans plusieurs pathologies. Ainsi ce projet vise à caractériser la dynamique des interactions entre les récepteurs, les ligands et l'environnement lipidique en insistant surtout sur : 1) le rôle des propriétés physico- chimiques de la membrane lipidique (épaisseur, fluidité, etc) et l'effet de certains lipides, plus en particulier le cholestérol et les sphingolipides dans l'activation du récepteur (suite à l'interaction du ligand) et dans les premières étapes de signalisation (comme l'interaction avec les protéines G) ; 2) la réponse du récepteur modulé par le type de ligand par rapport à sa distribution entre domaines lipidiques (riches en cholestérol, sphingolipides et céramides) ; 3) la formation de oligomères et/ou dimères en réponse aux changements de la composition de ces microdomaines et de la présence de un complexe récepteur-ligand.

  • Titre traduit

    GPCR : Lipid domain effect on ligand-induced reeptor dynamics


  • Résumé

    The chemokine receptors CXCR4 and CCR5 belong to the large GPCR (G-protein coupled receptor) superfamily and are drug targets of tremendous interest as they are implicated in several pathologies like HIV infection, cancer and its metastasis, inflammatory diseases and neurological disorders. Despite recent advances in what concerns the activation mechanisms provided by recent X- ray crystal structures, some aspects in the functioning of these proteins still remain obscure, especially in what concerns the role of the lipid environment and the presence of lipid domains (so called rafts) in the activation and signaling events. This is most probably related to the fact that for receptor-lipid interaction studies the receptors need to be extracted from their natural lipid environment and reconstituted in model lipid systems of varied lipid composition and all that while keeping the protein functional, which can be rather challenging for GPCRs. Studies on chemokine receptors reported that lipid action on the receptor can be present both at the level of the ligand but also of effector interactions, affecting receptor downstream signaling, internalization and desensitization. Most studies aimed at investigating the role of cholesterol, relied on indirect measurements such as depletion experiment using ß- cyclodextrin and other molecules, followed by simple examining changes in cell surface binding profiles by using receptor-specific antibodies. These approaches, besides affecting also other cell physiological aspects, cannot determine at what point and level the cholesterol and other lipids induce their effect: receptor structural changes, receptor dynamics, dimmer formation, etc, therefore a different experimental approach is necessary. Herein we propose to tackle this problem with a combination of approaches including computational simulations and biophysical experimental techniques (solution and solid-state NMR, plasmon resonance and single molecules spectroscopy approaches) using cellular and lipid model systems. Such a multi-technique approach provides complementary information on different temporal and spatial scales essential to fully characterize the system. Besides, molecular mechanisms of ligand activation and signaling of CCR5 and CXCR4 will be performed in parallel, an aspect that has often been missing, and should contribute to development of improved therapeutics as they have often been shown to function together. Overall, the present research project will allow the characterization of the dynamic interplay between the chemokine receptor, its ligands and lipid environment with special emphasis on: 1) the role of the lipid membrane physico-chemical properties (thickness, fluidity, etc) and the effect of specific lipids such as cholesterol and sphingolipids on the receptor activation (ligand binding) and first stages of signaling (e.g. interaction with G-proteins); 2) ligand- dependent receptor trafficking between different lipid microdomains (rich in cholesterol and sphingolipids and ceramides); 3) the formation of receptor oligomers and/or dimers as a consequence of changes in the lipid microdomain composition and presence of a receptor- ligand complex.